Валентные электроны и валентность

Свой­ства атома во мно­гом опре­де­ля­ет­ся стро­е­ни­ем его внеш­не­го элек­трон­но­го слоя. Элек­тро­ны, на­хо­дя­щи­е­ся на внеш­нем, а ино­гда и на пред­по­след­нем, элек­трон­ном слое атома могут при­ни­мать уча­стие в об­ра­зо­ва­нии хи­ми­че­ских свя­зей. Такие элек­тро­ны на­зы­ва­ют ва­лент­ны­ми. На­при­мер, в атоме фос­фо­ра 5 ва­лент­ных элек­тро­нов:  (рис. 1). 

Рис. 1. Элек­трон­ная фор­му­ла атома фос­фо­ра

Ва­лент­ные элек­тро­ны ато­мов эле­мен­тов глав­ных под­групп рас­по­ло­же­ны на s- и р-ор­би­та­лях внеш­не­го элек­трон­но­го слоя. У эле­мен­тов по­боч­ных под­групп, кроме лан­та­но­и­дов и ак­ти­но­и­дов, ва­лент­ные элек­тро­ны рас­по­ло­же­ны на s-ор­би­та­ли внеш­не­го и d-ор­би­та­лях пред­по­след­не­го слоев.

Ва­лент­ность – это спо­соб­ность атома об­ра­зо­вы­вать хи­ми­че­ские связи. Дан­ное опре­де­ле­ние и само по­ня­тие ва­лент­ность кор­рект­ны толь­ко по от­но­ше­нию к ве­ще­ствам с ко­ва­лент­ным типом связи. Для ион­ных со­еди­не­ний это по­ня­тие непри­ме­ни­мо, вме­сто него ис­поль­зу­ют фор­маль­ное по­ня­тие «сте­пень окис­ле­ния».

Ва­лент­ность ха­рак­те­ри­зу­ет­ся чис­лом элек­трон­ных пар, об­ра­зу­ю­щих­ся при вза­и­мо­дей­ствии атома с дру­ги­ми ато­ма­ми. На­при­мер, ва­лент­ность азота в ам­ми­а­ке NH₃ равна трем (Рис. 2).

Рис. 2. Элек­трон­ная и гра­фи­че­ская фор­му­лы мо­ле­ку­лы ам­ми­а­ка

Основное и возбужденное состояния атома

Ко­ли­че­ство элек­трон­ных пар, ко­то­рое может об­ра­зо­вать атом с дру­ги­ми ато­ма­ми, за­ви­сит, в первую оче­редь, от числа его неспа­рен­ных элек­тро­нов. На­при­мер, в атоме уг­ле­ро­да два неспа­рен­ных элек­тро­на – на 2р-ор­би­та­лях (Рис. 3). По числу неспа­рен­ных элек­тро­нов мы можем ска­зать, что такой атом уг­ле­ро­да может про­яв­лять ва­лент­ность, рав­ную II.

Рис. 3. Элек­трон­ное стро­е­ние атома уг­ле­ро­да в ос­нов­ном со­сто­я­нии

Во всех ор­га­ни­че­ских ве­ще­ствах и неко­то­рых неор­га­ни­че­ских со­еди­не­ни­ях уг­ле­род че­ты­рех­ва­лен­тен. Такая ва­лент­ность воз­мож­на толь­ко в воз­буж­ден­ном со­сто­я­нии атома уг­ле­ро­да, в ко­то­рое он пе­ре­хо­дит при по­лу­че­нии до­пол­ни­тель­ной энер­гии.

В воз­буж­ден­ном со­сто­я­нии в атоме уг­ле­ро­да рас­па­ри­ва­ют­ся 2s-элек­тро­ны, один из ко­то­рых пе­ре­хо­дит на сво­бод­ную 2р-ор­би­таль. Че­ты­ре неспа­рен­ных элек­тро­на могут участ­во­вать в об­ра­зо­ва­нии че­ты­рех ко­ва­лент­ных свя­зей. Воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние атома при­ня­то обо­зна­чать «звез­доч­кой» (Рис. 4).

Рис. 4. Элек­трон­ное стро­е­ние атома уг­ле­ро­да в воз­буж­ден­ном со­сто­я­нии

Валентные возможности атомов

Может ли азот иметь ва­лент­ность, рав­ную пяти – по числу его ва­лент­ных элек­тро­нов? Рас­смот­рим ва­лент­ные воз­мож­но­сти атома азота.

В атоме азота два элек­трон­ных слоя, на ко­то­рых рас­по­ло­же­но всего 7 элек­тро­нов (Рис. 5).

₇N

Рис. 5. Элек­трон­ная схема стро­е­ния внеш­не­го слоя атома азота

Азот может об­ра­зо­вать три общие элек­трон­ные пары с тремя дру­ги­ми элек­тро­на­ми. Пара элек­тро­нов на 2s-ор­би­та­ли тоже может участ­во­вать в об­ра­зо­ва­нии связи, но по дру­го­му ме­ха­низ­му – до­нор­но-ак­цеп­тор­но­му, об­ра­зуя чет­вер­тую связь.

Рас­па­ри­ва­ние 2s-элек­тро­нов в атоме азота невоз­мож­но, т. к. на вто­ром элек­трон­ном слое нет d-под­уров­ня. По­это­му выс­шая ва­лент­ность азота равна IV.

Под­ве­де­ние итога

Вы на­учи­лись опре­де­лять ва­лент­ные воз­мож­но­сти ато­мов хи­ми­че­ских эле­мен­тов. В ходе изу­че­ния ма­те­ри­а­ла вы узна­ли, сколь­ко ато­мов дру­гих хи­ми­че­ских эле­мен­тов может при­со­еди­нить к себе кон­крет­ный атом, а также по­че­му эле­мен­ты про­яв­ля­ют раз­ные зна­че­ния ва­лент­но­сти.